血管老化在動脈粥樣硬化中的研究進展

張琦悅，張偉麗

(中國醫(yī)學科學院 北京協(xié)和醫(yī)學院 國家心血管病中心 阜外醫(yī)院 心血管疾病國家重點實驗室，北京 100037)

心血管疾病位居我國城鄉(xiāng)居民死亡原因首位，《中國心血管健康與疾病報告2020》指出，2018年我國心血管疾病死亡人數(shù)在城鄉(xiāng)居民總死亡人數(shù)中分別占比46.66%和43.81%，已成為重大公共衛(wèi)生問題[1]。隨著中國老齡化社會的到來，未來十年我國心血管疾病發(fā)病率和死亡率仍會持續(xù)攀升。

動脈粥樣硬化是冠心病、心肌梗死、缺血性腦卒中等多種心腦血管疾病的共同發(fā)病基礎(chǔ)。高齡是動脈粥樣硬化的主要獨立危險因素，45歲以上男性和55歲以上女性患頸動脈粥樣硬化的風險顯著增加[2]。年齡相關(guān)的血管老化參與動脈粥樣硬化的發(fā)生發(fā)展，缺血性心肌梗死和腦卒中等均與血管的老化病變有關(guān)。衰老導致的心血管結(jié)構(gòu)和功能改變在老年人動脈粥樣硬化性心血管疾病的易感性、嚴重程度及疾病預(yù)后方面發(fā)揮關(guān)鍵作用[3]。本文將介紹血管老化的特征性變化，并闡述血管老化在動脈粥樣硬化發(fā)生發(fā)展中的重要作用及相關(guān)防治措施，以期為老年心血管疾病的診斷和治療提供指導。

1 血管老化的特征表現(xiàn)

血管老化是血管本身出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)和功能上退行性改變，可分為生理性血管老化和病理性血管老化。二者區(qū)別在于前者是由機體程序性衰老所致；后者是由環(huán)境、營養(yǎng)和疾病等原因?qū)е卵艿睦匣俣燃涌欤崆斑M入衰老而出現(xiàn)的病理性質(zhì)的改變。

1.1 血管老化的結(jié)構(gòu)性變化及其與動脈粥樣硬化的關(guān)系

老化血管的結(jié)構(gòu)性重塑主要體現(xiàn)在3個方面：血管壁增厚、血管壁彈性下降和血管腔擴張。

1.1.1 血管壁增厚:血管老化的特征之一是血管壁增厚，且主要表現(xiàn)為血管壁內(nèi)膜和中膜增厚。老化血管的內(nèi)皮完整性下降，血管內(nèi)皮組織中單核細胞趨化蛋白1、細胞間黏附因子、血管細胞黏附因子等表達量升高，促使血管中膜的血管平滑肌細胞(vascular smooth muscle cells，VSMCs)增殖并遷移至內(nèi)膜下層[4]。研究發(fā)現(xiàn)在動脈粥樣硬化發(fā)生早期，內(nèi)皮細胞外間隙積聚的脂質(zhì)和巨噬細胞與內(nèi)膜中的VSMCs共同形成動脈粥樣硬化的早期病變。頸動脈呈現(xiàn)出明顯的隨年齡增加的血管壁增厚。一項橫斷面研究分析了20～90歲各年齡階段的健康人群的頸動脈壁內(nèi)膜-中膜厚度(carotid intima media thickness，CIMT)，發(fā)現(xiàn)老年組(90歲)CIMT約為青年組(20歲)CIMT的2～3倍[5]。年齡相關(guān)的CIMT增厚提示了患動脈粥樣硬化的風險增加。一項前瞻性研究針對1 257名芬蘭東部男性進行了為期2年的隨訪，評估CIMT與急性心肌梗死風險之間的相關(guān)性，結(jié)果表明CIMT每增加0.1 mm，急性心肌梗死的風險增加11%[6]。CIMT隨著年齡的增長而加速增厚，增厚速率從50歲時的0.02 mm/10年增加到80歲時的0.05 mm/10年，男性CIMT的增速高于女性[7]。

1.1.2 血管壁彈性下降:血管壁彈性下降是動脈老化的主要表現(xiàn)之一，可引起血管順應(yīng)性下降，進而導致收縮期高血壓、心室肥大、心房纖維化等。動脈硬化是多因素共同作用的結(jié)果，一方面，衰老過程中血管中的基質(zhì)金屬蛋白酶(matrix metalloproteinase，MMP)酶原激活使血管壁細胞外基質(zhì)降解失調(diào)，細胞外基質(zhì)中彈性纖維變薄、斷裂，膠原蛋白和體內(nèi)逐漸積累的糖基化終產(chǎn)物形成交聯(lián)，導致血管彈性降低；另一方面，年齡增長促使血管壁中的VSMCs因衰老和凋亡而減少，并表達成骨相關(guān)基因，使大動脈中鈣沉積增加，發(fā)生血管鈣化[8]。血管彈性與動脈粥樣硬化聯(lián)系密切，目前臨床中已有無創(chuàng)式的動脈彈性功能的檢測方法，如頸-股動脈脈搏波速度(carotid-femoral pulse wave velocity，CfPWV)。Vlachopoulos等[9]對17 項縱向研究進行了薈萃分析以評估主動脈PWV的預(yù)測價值，研究對象包括高血壓、糖尿病、終末期腎病患者和健康人群共15 887名。結(jié)果顯示主動脈PWV是心血管事件和全因死亡率的強有力的預(yù)測因子，主動脈PWV每增加1 m/s，總心血管事件以及心血管事件死亡率分別增加14%和15%，而且主動脈PWV在基線心血管風險高的人群中更具有心血管疾病預(yù)測價值。

1.1.3 血管腔擴張:血管腔擴張是除血管壁增厚、硬化外，血管老化過程中的另一種特征表現(xiàn)。目前血管腔擴張的具體機制尚不清楚，一方面，可能由于血管為適應(yīng)各種風險因素導致的血壓升高、血管壁增厚或斑塊出現(xiàn)而形成的代償性反應(yīng)；另一方面，老化血管本身組成成分發(fā)生改變，血管壁中彈性纖維含量減少而膠原纖維增加，在一定程度上導致血管腔擴張[10]。血管腔擴張與心血管發(fā)病風險密切相關(guān)。Sedaghat等[11]從4個前瞻性隊列研究數(shù)據(jù)(包括Rotterdam研究、NEPHROTEST研究、Hoorn研究和Braser等人的研究)中納入4 887名參與者[平均年齡(67 ± 9)歲；女性54%]進行薈萃分析。研究人員采用血管壁回聲跟蹤技術(shù)測量頸總動脈參數(shù)，調(diào)整心血管危險因素后，發(fā)現(xiàn)較大的頸動脈直徑與腦卒中相關(guān)。頸動脈直徑最高三分位數(shù)(直徑>8 mm)與最低三分位數(shù)(直徑<7 mm)的個體相比，卒中發(fā)生率更高(風險比1.5, 95% 置信區(qū)間 1.1～2.0)，但與冠心病風險無關(guān)。頸動脈直徑是評估與心血管疾病風險的一個重要因素。

1.2 血管老化的功能性變化

衰老相關(guān)的血管內(nèi)皮功能障礙可引起內(nèi)皮細胞(endothelial cells，ECs)分泌的血管調(diào)節(jié)因子水平發(fā)生改變，如內(nèi)皮素-1(endothelin-1，ET-1)、一氧化氮(nitric oxide，NO)、內(nèi)皮依賴性超極化因子等，導致血管的收縮與舒張功能受損，是心血管疾病的重要發(fā)生機制[12]。隨著年齡增長，老化的心血管系統(tǒng)產(chǎn)生過量的氧自由基導致氧化應(yīng)激，而氧化應(yīng)激會降低血管保護和血管舒張因子NO的生物可利用性。NO的產(chǎn)生和生物利用度在血管老化過程中的動態(tài)變化是解釋血管舒張反應(yīng)受損的重要機制。早在2002年Minamino等[13]發(fā)現(xiàn)缺血性心臟病死者的冠狀動脈中存在衰老的ECs。人為誘導人主動脈內(nèi)皮細胞衰老并檢測內(nèi)皮細胞中一氧化氮合酶(nitric oxide synthase，NOS)活性，顯示衰老ECs出現(xiàn)功能障礙：NOS活性下降，NO合成減少。這種年齡相關(guān)的NOS活性降低可部分歸因于氧化應(yīng)激、NOS的翻譯后修飾，包括控制催化活性的蛋白質(zhì)修飾、脂肪酸酰化，底物和輔因子可利用性，磷酸化程度，以及蛋白質(zhì)-蛋白質(zhì)相互作用等[14]。

血管老化過程中內(nèi)皮源性ET-1可部分拮抗NO對血管的有益作用。ET-1主要存在于ECs中，通過激活內(nèi)皮素受體A和內(nèi)皮素受體B發(fā)揮強大的血管收縮和促炎作用。ET-1及其相關(guān)多肽的水平隨年齡增加而發(fā)生改變，其前體肽C-端內(nèi)皮素1與年齡增長呈正相關(guān)[15]。Donato等[16]從56名健康男性的肱動脈和外周靜脈中獲取ECs并檢測ET-1的表達，發(fā)現(xiàn)ET-1蛋白在來源于老年男性的ECs中表達量增加，并且與內(nèi)皮依賴性舒張功能障礙相關(guān)。在老年小鼠中給予內(nèi)皮素受體A抑制劑，可選擇性地降低ET-1信號，從而改善老年小鼠的內(nèi)皮依賴性舒張功能障礙。ET-1在高血壓、心肌重塑、心肌梗死中具有廣泛的預(yù)測和評估價值[17]。

血管老化呈現(xiàn)出明顯的結(jié)構(gòu)性和功能性變化，二者之間相互關(guān)聯(lián)，如血管壁直徑與血管舒張功能呈負相關(guān)，血管收縮和舒張功能改變可以直接影響血管壁直徑和管壁張力。對血管結(jié)構(gòu)和功能的綜合評定有利于認識到血管的真實生理狀態(tài)，評估個體患心血管疾病的風險，為采取針對性措施防治相應(yīng)疾病提供參考。

2 血管細胞衰老與動脈粥樣硬化的關(guān)系

血管細胞衰老分為2類：隨細胞分裂、端粒縮短引發(fā)的復制性衰老，以及外部環(huán)境刺激誘發(fā)的應(yīng)激性衰老。多項研究發(fā)現(xiàn)在動脈粥樣硬化斑塊病變處可觀察到VSMCs、ECs等血管細胞的衰老現(xiàn)象。端粒磨損、線粒體功能障礙及炎性反應(yīng)在血管細胞衰老過程中的重要作用得到廣泛關(guān)注。

2.1 端粒磨損

端粒磨損是細胞衰老的典型特征之一。隨著年齡增加，端粒長度不斷縮短，與動脈粥樣硬化危險因素和動脈粥樣硬化性心血管疾病之間存在交互作用。一方面，炎性反應(yīng)、氧化應(yīng)激以及不良生活方式等可加速端粒磨損，另一方面，端粒縮短導致細胞老化及功能異常，也會促進動脈粥樣硬化的發(fā)展。

在體外培養(yǎng)的人主動脈內(nèi)皮細胞研究顯示，端粒重復序列結(jié)合因子2(telomere repeat binding factor 2, TRF2)基因表達水平增加可延長細胞壽命，抑制細胞間黏附因子表達，增加NOS蛋白水平。細胞間黏附因子和NOS均參與動脈粥樣硬化斑塊的形成，提示端粒和端粒酶在動脈粥樣硬化過程中發(fā)揮重要作用[13]。外周血白細胞端粒長度可作為評估心血管疾病風險的標志物。O’Donnell 等[18]檢測1 062名33～86歲個體(496名男性，566名女性)的外周血白細胞端粒長度和CIMT，發(fā)現(xiàn)端粒長度縮短與CIMT呈負相關(guān)，進一步的性別分層分析顯示這種關(guān)聯(lián)在男性中更顯著。本課題組研究發(fā)現(xiàn)外周血白細胞端粒長度縮短與腦梗死、出血性腦卒中的高風險密切相關(guān)，長期隨訪結(jié)果顯示在端粒長度短的腦梗死患者中，卒中的再發(fā)風險高，預(yù)后更差[19]。端粒長度受到遺傳因素的影響，個體出生時的端粒長度是影響整個生命周期端粒長度的關(guān)鍵因素。因此，有研究認為，遺傳性端粒較短的人群的血管組織提前衰老的風險增加，從而更易患動脈粥樣硬化及相關(guān)心血管疾病[20]。

2.2 線粒體功能障礙

細胞衰老的另一個顯著特征是活性氧產(chǎn)生增多。線粒體呼吸鏈是活性氧自由基的主要來源，線粒體來源的活性氧自由基可以通過DNA損傷和DNA損傷反應(yīng)信號通路加劇細胞衰老[21]。線粒體產(chǎn)生的活性氧自由基也會攻擊線粒體自身，線粒體的蛋白質(zhì)、類脂和DNA均可被氧化修飾，造成線粒體功能障礙。

衰老相關(guān)的線粒體功能障礙會加速動脈粥樣硬化。線粒體DNA(mitochondrial DNA，mtDNA)的氧化損傷是引起動脈粥樣硬化的主要影響因素之一，在動脈粥樣硬化發(fā)生之前即對血管結(jié)構(gòu)與功能產(chǎn)生影響。Foote等[22]在野生型C57BL/6小鼠中進行研究，發(fā)現(xiàn)正常血脂小鼠在44周齡時頸動脈順應(yīng)性和擴張性下降，PWV增加，血管mtDNA損傷增加，線粒體功能出現(xiàn)障礙，該現(xiàn)象在72周齡時更加明顯。進一步研究發(fā)現(xiàn)小鼠中參與維護mtDNA完整性的mtDNA解旋酶Twinkle的表達量減少。野生型C57BL/6小鼠在44周時發(fā)生的血管老化現(xiàn)象在Twinkle轉(zhuǎn)基因小鼠中推遲至72周齡時出現(xiàn)。Yu等[23]分別在動脈粥樣硬化患者和ApoE-/-小鼠中探究內(nèi)源性的mtDNA損傷水平是否能引起線粒體功能障礙并對粥樣硬化斑塊造成影響。結(jié)果顯示動脈粥樣硬化斑塊部位表現(xiàn)出mtDNA損傷，線粒體呼吸減少，過表達Twinkle基因可增加mtDNA的完整性和拷貝數(shù)，不僅使線粒體呼吸得到改善，還使動脈粥樣硬化病變處的纖維帽增加40%，壞死核心區(qū)域減少20%，增強了動脈粥樣硬化斑塊的穩(wěn)定性。以上結(jié)果表明，線粒體基因組穩(wěn)定性對于維護血管健康具有重要意義，維持和恢復mtDNA完整性和線粒體功能可能是一種較為理想的治療策略。

2.3 血管炎性反應(yīng)

衰老細胞如VSMCs、ECs、巨噬細胞、成纖維細胞等均伴隨有細胞衰老相關(guān)的分泌表型，分泌產(chǎn)生促炎白介素(interleukin，IL)因子(包括IL-6、IL-8、IL-12等[24])和參與細胞外基質(zhì)重塑的酶(如MMP-1、MMP-3、MMP-10、MMP-12等[25])。衰老相關(guān)的血管炎性反應(yīng)是動脈粥樣硬化和冠狀動脈斑塊不穩(wěn)定的關(guān)鍵影響因素。血液中的白細胞如淋巴細胞、單核細胞等在細胞間黏附因子及趨化因子介導下向血管內(nèi)皮積累，形成動脈粥樣硬化斑塊，繼續(xù)釋放一系列細胞因子維持血管局部炎性反應(yīng)長期存在，加劇血管老化，從而形成“血管老化-促炎性微環(huán)境-動脈粥樣硬化”的惡性循環(huán)[26]。

在動脈粥樣硬化初期，血管壁局部主要表現(xiàn)為增生性炎性反應(yīng)。血管ECs和VSMCs釋放成纖維細胞調(diào)節(jié)因子如血小板衍生因子，促使VSMCs大量增殖并由中膜遷移至內(nèi)膜下層，分泌大量的細胞因子和黏附因子參與炎性反應(yīng)。在動脈粥樣硬化中后期，炎性反應(yīng)參與病變處斑塊破裂、血栓形成等過程。活化的巨噬細胞、ECs產(chǎn)生多種MMPs，降解維持斑塊穩(wěn)定的膠原纖維和細胞外基質(zhì)，誘發(fā)斑塊破裂。在血管炎性反應(yīng)介導的動脈粥樣硬化中，IL-6是一種發(fā)揮重要作用的促炎細胞因子，IL-6表達水平隨衰老而升高。Song等[27]研究衰老對血管細胞炎性反應(yīng)的作用，體外分離培養(yǎng)小鼠主動脈VSMCs，檢測培養(yǎng)基上清液中細胞因子，發(fā)現(xiàn)與年輕小鼠(2～4月齡)相比，老齡小鼠(16～18月齡)的VSMCs中IL-6水平更高，提示IL-6可能對心血管產(chǎn)生不利影響。但Madan等[28]在ApoE+/-小鼠中研究發(fā)現(xiàn)IL-6缺乏反而促進動脈粥樣硬化發(fā)展。不一致的實驗結(jié)果可能源于IL-6在經(jīng)典途徑與反式信號途徑中發(fā)揮的作用不同。在經(jīng)典信號通路中，IL-6直接與細胞膜表面的IL-6受體(主要在肝細胞和各種白細胞上表達)結(jié)合，并與膜結(jié)合糖蛋白gp130形成信號復合物，該途徑有利于機體的抗炎反應(yīng)。在非經(jīng)典途徑之中，IL-6和可溶性IL-6R的循環(huán)可溶性部分可組成循環(huán)二元復合物，在不表達IL-6受體的細胞中激活gp130，IL-6的反式信號途徑的激活通常會導致慢性炎性反應(yīng)，增加年齡相關(guān)的動脈粥樣硬化風險[29]。

3 針對血管老化減緩動脈粥樣硬化的策略

目前應(yīng)對血管老化的策略主要分為生活方式改變和藥物治療兩大方向，涉及細胞衰老、炎性反應(yīng)、表觀遺傳修飾、能量感知等多個關(guān)鍵領(lǐng)域。

保持良好的生活習慣有利于減緩血管老化和動脈粥樣硬化。長期堅持體育運動尤其是有氧運動可以抑制氧化應(yīng)激和炎性反應(yīng)，改善血管的結(jié)構(gòu)和功能[30]。運動使血流對血管內(nèi)皮的剪切力發(fā)生改變，可作為一種生理刺激促進內(nèi)皮細胞合成NO等抗動脈粥樣硬化的血管活性物質(zhì)[31]。研究發(fā)現(xiàn)使用跑步輪的老年小鼠NADPH氧化酶和炎性介質(zhì)NF-κB在血管中的表達水平近似于年輕小鼠[32]。除了加強運動之外，均衡飲食、限制每日卡路里攝入量、戒酒、戒煙等均有助于預(yù)防血管老化[33]。

抗衰老藥物的研發(fā)始終是血管老化領(lǐng)域的熱點。研究發(fā)現(xiàn)幾種天然或化學合成物的小分子物質(zhì)可在血管衰老的關(guān)鍵途徑中發(fā)揮調(diào)控作用，起到延緩血管衰老的效果。例如，Sirtuin6蛋白可通過其脫乙酰酶活性維持端粒完整性，延遲VSMC衰老并抑制動脈粥樣硬化[34]。達沙替尼和槲皮素可選擇性清除衰老細胞從而達到延緩衰老的目的。一期臨床結(jié)果顯示，糖尿病腎病患者連續(xù)3 d服用達沙替尼(100 mg)和槲皮素(1 000 mg)的組合，11 d后患者血漿中與衰老相關(guān)的細胞因子如IL-1α、IL-6、MMP-9 和MMP-12水平下降[35]。目前的主要藥物干預(yù)措施絕大多數(shù)處于動物實驗研究階段，真正應(yīng)用于疾病治療還需要臨床實驗來評價其療效及不良反應(yīng)。

4 小結(jié)與展望

血管老化在動脈粥樣硬化性心血管疾病中的作用已逐漸得到重視。伴隨年齡增加，老化血管會出現(xiàn)血管壁增厚、硬化、血管腔擴張，正常收縮和舒張功能受損等現(xiàn)象，并與心血管疾病發(fā)病風險相關(guān)，可作為血管衰老的評價指標，對臨床中動脈粥樣硬化性疾病的預(yù)防和診斷起到提示作用。端粒磨損、線粒體功能障礙以及炎性反應(yīng)等在血管老化過程中發(fā)揮著重要作用，可以為干預(yù)血管老化過程以及延緩相關(guān)疾病提供新思路。盡管如此，由于影響血管老化過程的因素眾多，未來研究需要聚焦血管老化與慢性動脈粥樣硬化疾病之間的相互作用，明確其中關(guān)鍵的通路和靶點，同時應(yīng)認識到動物模型及體外實驗的局限性，將血管老化的研究成果與臨床研究結(jié)合起來。